夏大成，周 瑞，涂 博，蔡志偉，高 難，姬曉旭，常 鋼，任小明，何云斌

（1.功能材料綠色制備與應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,高分子材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,武漢430062；2.南陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院,南陽473000）

孔雀石綠（MG）是一種三苯基甲烷類染料，通常被用于絲綢和造紙工業(yè)，也可作為抗寄生蟲劑和生物殺菌劑用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)［1］.MG被人或動(dòng)物吸收后，易被代謝成為具有致癌性、致畸性和誘變性的無色孔雀石綠（LMG）［2，3］，因此許多國(guó)家禁止在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中使用MG.盡管如此，由于其低廉的價(jià)格及對(duì)真菌和寄生蟲的良好抗性［4］，至今仍然存在非法使用MG的現(xiàn)象.因此，MG的檢測(cè)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)和人類健康具有重要意義.

近年來，高效液相色譜［5］、液相色譜-質(zhì)譜［6］、熒光傳感器［7］和毛細(xì)管電泳［8］等技術(shù)被應(yīng)用于MG的檢測(cè)，但這些技術(shù)通常需要較長(zhǎng)的樣品制備時(shí)間、液體檢測(cè)環(huán)境和昂貴的設(shè)備.SERS作為一種快速、高靈敏度、無損且低成本的技術(shù)，近年來受到了廣泛的關(guān)注［9，10］，眾多的SERS基底被應(yīng)用于MG檢測(cè)，如銀納米枝晶［11］、氧化石墨烯/金納米顆粒復(fù)合材料［12］、金納米棒［13］和銀納米顆粒/MoS2復(fù)合材料［14］等.已報(bào)道的關(guān)于SERS檢測(cè)多采用合成SERS基底，以獲得對(duì)MG表面拉曼信號(hào)增強(qiáng)的效果，但如何制備具有良好重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和可回收性的新型SERS基底仍然是一個(gè)挑戰(zhàn).

拉曼“熱點(diǎn)”是拉曼信號(hào)能夠得到大幅度增強(qiáng)的區(qū)域，通常出現(xiàn)在納米尺度的尖銳邊緣或緊密堆積的等離子體納米結(jié)構(gòu)之間的小間隙處.規(guī)則排列的陣列狀金或銀納米材料產(chǎn)生的電磁場(chǎng)耦合作用可以帶來大量的拉曼“熱點(diǎn)”，從而大幅度提高拉曼信號(hào)強(qiáng)度，因而成為當(dāng)前SERS研究的熱點(diǎn)之一［15~20］.有序的二維結(jié)構(gòu)比無序結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)越的光、電、磁性能.大面積均勻排列的納米結(jié)構(gòu)可以帶來更好的信號(hào)穩(wěn)定性，而納米線陣列具有較高的比表面積，在SERS應(yīng)用中，納米線陣列可以為待測(cè)物提供更多的吸附位點(diǎn)，提高SERS基底的靈敏度［21］.目前，已經(jīng)有較多技術(shù)被用于制備具有規(guī)則陣列結(jié)構(gòu)的貴金屬納米材料，如多孔陽極氧化鋁（AAO）模板法［22］、物理氣相沉積法［23］和自組裝法［24］，但這些方法成本高且操作難度大，難以投入大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用.因此，迫切需要開發(fā)一種簡(jiǎn)單有效的方法制備規(guī)則排列的金或銀納米陣列SERS基底.

在銀/金納米材料中，金具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，而銀具有更高的電磁場(chǎng)增強(qiáng)性能.但銀的活潑性較強(qiáng)，在銀納米材料制備的過程中很難保證其形貌的均一性，小尺寸銀納米顆粒也非常容易在合成過程中發(fā)生團(tuán)聚，從而影響后期應(yīng)用效果［25］.雖然金的電磁場(chǎng)增強(qiáng)性能不及銀，但金納米材料的形貌可控性較強(qiáng)，性質(zhì)更加穩(wěn)定.因此，在提高金基納米材料的SERS性能的過程中通常需要在金的支撐材料上引入銀元素.在對(duì)MG的SERS檢測(cè)中，受測(cè)試環(huán)境的影響可能導(dǎo)致銀納米材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得SERS性能下降，而金基納米材料可以很好地保持形貌穩(wěn)定性，從而保證檢測(cè)效果［26］.

本文使用兩步濕化學(xué)方法，在玻璃基底上制備了垂直Ag/Au NWs陣列作為SERS基底.首先以種子介導(dǎo)的軟模板法制備Au NWs陣列，并通過改變反應(yīng)溫度來調(diào)控Au NWs陣列的形貌和結(jié)構(gòu)；然后使用抗壞血酸還原硝酸銀的方法在Au NWs陣列上沉積Ag NPs以制備Ag/Au NWs陣列.以R6G作為拉曼探針分子進(jìn)行了SERS性能檢測(cè)，探究了Ag NPs沉積狀態(tài)以及Ag/Au NWs陣列的形貌與SERS性能的關(guān)系.分別對(duì)單個(gè)基底上的15個(gè)隨機(jī)點(diǎn)的SERS信號(hào)進(jìn)行了比較，使用同一個(gè)基底進(jìn)行了18 d的信號(hào)重復(fù)穩(wěn)定性測(cè)試，以確定SERS基底的信號(hào)均勻性和時(shí)間穩(wěn)定性.對(duì)實(shí)際樣品的測(cè)試結(jié)果表明，Ag/Au NWs陣列基底可應(yīng)用于高靈敏環(huán)境水體中MG的檢測(cè).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

HAuCl4·3H2O、3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）和4-巰基苯甲酸（4-MBA）（上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；L-抗壞血酸（L-AA）、硼氫化鈉（NaBH4）、硝酸銀（AgNO3）和孔雀石綠（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；所用試劑均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水為超純水（電阻率>18.2 MΩ·cm）.

SIGMA 500型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，德國(guó)蔡司公司）；LabRAM HR Evolution拉曼光譜儀（日本堀場(chǎng)公司）；P60-CY超純水凈化系統(tǒng)（湖南科爾頓水務(wù)有限公司）；TECNAI G2 20 S-TWIN型透射電子顯微鏡（TEM，美國(guó)FEI公司）；Thermo scientific ESCAlab 250xi型X射線光電子能譜（XPS，美國(guó)Thermo公司）.

1.2 金納米顆粒的制備

在用王水清洗過的250 mL錐形瓶中注入99.8 mL水，在劇烈攪拌下將HAuCl4（294μL，0.1 mol/L）注入到錐形瓶中加熱至沸騰.將2.7 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的檸檬酸三鈉水溶液快速注入沸騰的HAuCl4溶液中，煮沸10 min后，溶液顏色由無色變?yōu)樯钏{(lán)色，再變?yōu)榫萍t色［27，28］，說明金納米顆粒制備成功.在攪拌下冷卻至室溫后，將含有金納米顆粒（Au NPs）的溶液在4℃下儲(chǔ)存在棕色試劑瓶中.

1.3 Ag/Au NWs陣列的制備與清洗

圖1示出了Ag/Au NWs陣列的制備過程.為了在玻璃片上制備Au NWs陣列，將1 cm×1 cm玻璃片分別用去離子水和乙醇超聲清洗15 min后，用N2氣干燥.將玻璃片用O2等離子體預(yù)處理5 min以提高其表面親水性，然后與APTES溶液（5 mmol/L）反應(yīng)4 h，將玻璃片氨基官能化.將氨基官能化的玻璃片浸入Au NPs溶液中浸泡5 h，使金納米顆粒充分吸附在玻璃片上，用水和乙醇沖洗吸附了Au NPs的玻璃片以去除未吸附牢固的Au NPs.將吸附Au NPs的玻璃片浸入含有HAuCl4（1.7 mmol/L）、4-MBA（550 μmol/L）和L-抗壞血酸（4.1 mmol/L）的恒溫生長(zhǎng)溶液中15 min，以制備Au NWs陣列，接著用乙醇沖洗帶有Au NWs陣列的玻璃片并在空氣中干燥，備用.冰水浴下將制備好的Au NWs陣列浸入25 mmol/L NaBH4溶液中10 min，以去除吸附在Au NWs陣列表面的4-MBA.最后，將清洗過的Au NWs陣列浸入含有AgNO3（0.05 mmol/L）和L-AA（10 mmol/L）的反應(yīng)溶液中，室溫下反應(yīng)15 min.反應(yīng)結(jié)束后，用去離子水清洗樣品，室溫干燥待用，產(chǎn)物記為Ag/Au NWs陣列.將吸附Au NPs的玻璃片浸入上述相同的反應(yīng)溶液中制備Ag/Au NPs作為對(duì)照實(shí)驗(yàn).

Fig.1 Schematic illustration of the preparation of the Ag/Au NWs array

1.4 SERS性能測(cè)試

在SERS測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，將制備好的SERS基底浸入5 mL R6G或MG溶液中30 min，用乙醇沖洗3次以去除游離分子，然后在室溫下干燥.在增強(qiáng)因子（EF）的計(jì)算中，選用R6G作為探針分子，將10μL 1×10?4mol/L的R6G溶液均勻滴涂在基板上并在室溫下干燥.以633 nm激光為激發(fā)源，激光在基底上的光斑直徑為1.4μm.用數(shù)值孔徑（NA）為0.55的50×倍物鏡測(cè)量拉曼光譜，激光功率為4.25 mW，積分次數(shù)、采集時(shí)間和曝光時(shí)間分別為5 s，5 s和1 s.

2 結(jié)果與討論

2.1 Ag/Au NWs陣列的表征

Au NPs最初作為“種子”被錨定在玻璃片上，強(qiáng)配體4-MBA可以結(jié)合在這些金種子表面以抑制金原子的沉積，使得金原子只能沉積在Au NPs和玻璃片之間的位點(diǎn)，4-MBA不能與這些位點(diǎn)有效結(jié)合；新沉積的金原子立即被配體覆蓋，而金種子面向玻璃片的底部會(huì)保持無配體結(jié)合并為下一輪沉積保持活性，當(dāng)金的還原速率與4-MBA的吸附速率達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，金納米晶體就可以生長(zhǎng)成為線狀［29~32］.

Au NWs陣列制備完成后，陣列表面會(huì)留下一層4-MBA，其具有較強(qiáng)的拉曼響應(yīng)，且4-MBA層也會(huì)影響其它分子的吸附［33］，因此必須去除Au NWs陣列表面的4-MBA層.然而，4-MBA是通過Au—S鍵化學(xué)吸附在Au NWs陣列的表面［34］，除非使用特殊的物理或化學(xué)方法，否則無法斷裂Au—S鍵.實(shí)驗(yàn)中使用NaBH4斷開Au—S鍵以去除Au NWs陣列表面的4-MBA層.由圖2（A）和（B）可見，在NaBH4洗滌前后，Au NWs陣列的微觀形貌沒有發(fā)生明顯變化.對(duì)洗滌前后的Au NWs陣列進(jìn)行拉曼光譜測(cè)試，由圖2（C）可見，在經(jīng)過NaBH4洗滌后，1075和1583cm?1處的拉曼峰消失，表明4-MBA分子已從Au NWs陣列的表面去除.

2.1.1 Au NWs陣列與Ag/Au NW陣列的微觀形貌 銀在激光照射下可增強(qiáng)表面電磁場(chǎng)，從而表現(xiàn)出優(yōu)越的拉曼增強(qiáng)效果.銀修飾的有序納米結(jié)構(gòu)常被用作SERS基底，且表現(xiàn)出了優(yōu)異的SERS性能［35，36］.本文將Au NWs陣列用作Ag NPs化學(xué)沉積的支撐基底，通過在Au NWs陣列上修飾一層Ag NPs以提高SERS基底的信號(hào)增強(qiáng)能力.圖3（A）和（B）及其中插圖分別為Au NWs陣列和Ag/Au NWs陣列的SEM照片，通過對(duì)比可見Au NWs陣列表面沉積一層Ag NPs后，納米線的直徑略有增加且表面粗糙度提高，Ag/Au NWs陣列很好地保留了納米線陣列的原始微觀形貌與結(jié)構(gòu)［圖3（E）］.從圖3（C）中Ag/Au NWs陣列的TEM照片可以看出，Ag NPs均勻地地分布在叢狀的Au NWs上.這種具有大比表面積的森林狀結(jié)構(gòu)可以帶來更多的吸附位點(diǎn)，密集的納米線陣列結(jié)構(gòu)也可產(chǎn)生更多的拉曼“熱點(diǎn)”.圖3（D）插圖中的EDS分析結(jié)果表明，銀元素均勻分布在Au NWs陣列上.分別使用Au NWs陣列和Ag/Au NWs陣列對(duì)探針分子R6G進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖3（E）所示.可以發(fā)現(xiàn)，由于Ag NPs的修飾，Ag/Au NWs陣列上的R6G的SERS信號(hào)遠(yuǎn)高于Au NWs陣列上的SERS信號(hào)，說明Ag/Au NWs陣列的拉曼信號(hào)增強(qiáng)的能力優(yōu)于Au NWs陣列.

Fig.3 SEM images of Au NWs array(A)and Ag/Au NWs array(B),TEM image of Ag/Au NWs array(C),SEM image of Ag/Au NWs array and EDS mapping(inset)of silver on Ag/Au NWs array(D)and SERS spectra of 1×10?4 mol/L R6G on Au NWs array and Ag/Au NWs array(E)

Fig.4 XRD patterns of Au NWs array(a)and Ag/Au NWs array(b)

2.1.2 Au NWs陣列與Ag/Au NWs陣列的晶體結(jié)構(gòu) 制備的Au NWs陣列與Ag/Au NW陣列的XRD譜圖如圖4所示，在2θ=38.4°，44.5°，64.9°和77.8°處可觀察到特征衍射峰，分別與Au（JCPDS#04-0784）或Ag（JCPDS#04-0783）的（111），（200），（220）和（311）晶面衍射峰對(duì)應(yīng).Au與Ag都是面心立方結(jié)構(gòu)且晶格參數(shù)相近，因此Au NWs陣列與Ag/Au NWs陣列的晶面衍射峰峰位也非常相近［37］.

2.1.3 Au NWs陣列與Ag/Au NWs陣列的XPS表征

分別測(cè)定了Au NWs陣列與Ag/Au NWs陣列的XPS譜.如圖5（A）所示，Au NWs陣列與Ag/Au NWs陣列都存在Au與O兩種元素，在Ag/Au NWs陣列中檢測(cè)到Ag元素，來源于化學(xué)沉積的Ag NPs.圖5（B）~（D）所示高分辨率XPS窄譜中的峰位歸屬均與擬合曲線一致.Au NWs陣列與Ag/Au NWs陣列中Au元素的核心電子能級(jí)為83.9和87.8 eV，分別歸屬于Au4f7/2和Au4f5/2［圖5（B）和（C）］.Ag/Au NWs陣列中Ag元素的核心電子能級(jí)為374.5和367.2 eV，分別歸屬于Ag3d3/2和Ag3d5/2［圖5（D）］［38］.結(jié)果表明，Au NWs陣列中的Au元素以及Ag/Au NWs陣列中的Ag元素和Au元素均為單質(zhì)；證實(shí)在Au NWs陣列上化學(xué)沉積了單質(zhì)Ag NPs，制備出了Ag/Au NWs陣列.

基底的納米結(jié)構(gòu)是影響SERS增強(qiáng)性能的另一個(gè)關(guān)鍵因素.實(shí)驗(yàn)中研究了Ag/Au NWs陣列的形貌演變，這些樣品是分別用在不同溫度（25，45和65℃）下生長(zhǎng)的Au NWs陣列作為支撐模板而制備的.在不同溫度下生長(zhǎng)的Au NWs陣列的形貌如圖6所示.結(jié)果表明，溫度對(duì)Au NWs陣列的形貌有一定影響，相同的反應(yīng)時(shí)間下，Au NWs的長(zhǎng)度和直徑隨著反應(yīng)溫度的升高而增加，說明可以通過改變生長(zhǎng)溫度來調(diào)控Au NWs陣列的形貌.使用不同溫度下生長(zhǎng)的Au NWs陣列作為支撐基底用于Ag NPs沉積的同時(shí)，作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，Au NPs也被用作Ag NPs沉積的支撐基底.如圖7（A）所示，平均直徑為15 nm的Ag/Au NPs均勻地固定在玻璃基板的表面上.圖7（B）~（D）展示了使用在不同生長(zhǎng)溫度下（25，45和65℃）制備的Au NWs陣列為支撐模板制備的Ag/Au NWs陣列.當(dāng)生長(zhǎng)溫度為25℃時(shí)，Ag/Au NWs的長(zhǎng)度較短且稀疏地分布在玻璃基板上；當(dāng)生長(zhǎng)溫度升至45℃時(shí)，由于Au NWs的生長(zhǎng)速度相對(duì)較快，Ag/Au NWs的長(zhǎng)度明顯得到增加，且在較大面積上表現(xiàn)出規(guī)則的陣列結(jié)構(gòu)；當(dāng)溫度升高至65℃，Au NWs的過快生長(zhǎng)速度使陣列結(jié)構(gòu)變得更加密集，同時(shí)納米線也出現(xiàn)了部分倒塌，失去了規(guī)則排列的陣列結(jié)構(gòu).

Fig.5 Survey?scan XPS spectra of Au NWs array and Ag/Au NWs array(A),high?resolution spectra for Au4f of Au NWs array(B),Au4f of Ag/Au NWs array(C)and Ag3d of Ag/Au NWs array(D)

Fig.6 SEM images of Au NWs array prepared at 25°C(A),45°C(B)and 65°C(C)

Fig.7 SEM images of Ag/Au NPs(A)and Ag/Au NWs array prepared with Au NWs array as templates at 25°C(B),45°C(C)and 65°C(D)

2.2 Ag/Au NWs陣列的SERS性能

為了探究Ag NPs的沉積狀態(tài)對(duì)SERS基底性能的影響，對(duì)化學(xué)沉積時(shí)使用的AgNO3濃度進(jìn)行了優(yōu)化.在進(jìn)行化學(xué)沉積Ag NPs時(shí)，AgNO3濃度分別設(shè)定為0.025，0.05，0.15和0.3 mmol/L.結(jié)果如圖8所示，當(dāng)AgNO3濃度為0.15和0.3 mmol/L時(shí)，Ag/Au NWs陣列表面有較大的Ag NPs生成［圖8（C）和（D）］；當(dāng)AgNO3濃度低至0.05 mmol/L時(shí)，Ag/Au NWs陣列表面無較大的Ag NPs生成［圖8（B）］.為避免大的Ag NPs對(duì)SERS基底的信號(hào)均勻性產(chǎn)生影響，在測(cè)試前將制備的SERS基底用去離子水反復(fù)沖洗以去除附著在Ag/Au NWs陣列表面的大Ag NPs，使用清洗后的SERS基底對(duì)探針分子R6G（1×10?4mol/L）進(jìn)行SERS檢測(cè)，結(jié)果見圖8（E）；從不同SERS基底上選取5個(gè)隨機(jī)點(diǎn)收集的610.3 cm?1峰的平均SERS強(qiáng)度見圖8（F）.當(dāng)AgNO3濃度為0.05，0.15和0.3 mmol/L時(shí)，SERS基底的性能并無明顯變化，當(dāng)濃度低至0.025 mmol/L時(shí)，銀的沉積量不足導(dǎo)致SERS信號(hào)強(qiáng)度顯著下降，因此沉積Ag NPs時(shí)設(shè)定AgNO3濃度為0.05 mmol/L.

Fig.8 SEM images of Ag/Au NWs array prepared with AgNO 3 concentration of 0.025 mmol/L(A),0.05 mmol/L(B),0.15 mmol/L(C)and 0.3 mmol/L(D),SERS spectra of 1×10-4 mol/L R6G on Ag/Au NWs array prepared with different concentrations of AgNO3(E)and comparison of average Raman intensi?ty of the peak at 610.3 cm?1 on Ag/Au NWs array prepared with different concentrations of AgNO 3(F)

使用Au NPs、不同溫度下生長(zhǎng)的Au NWs陣列、Ag/Au NPs以及不同溫度下生長(zhǎng)的Au NWs陣列為支撐基底制備的Ag/Au NWs陣列作為SERS基底，以R6G作為探針分子進(jìn)行SERS檢測(cè)，收集了SERS基底上1×10?4mol/L R6G的SERS光譜［圖9（A）和（C）］，從不同SERS基底上選取5個(gè)隨機(jī)點(diǎn)收集的610.3 cm?1峰的平均SERS強(qiáng)度［圖9（B）和（D）］.將在25℃下生長(zhǎng)的Au NWs陣列表示為Au NWs/25℃，使用Au NWs/25℃為支撐基底制備的Ag/Au NWs陣列表示為Ag/Au NWs/25℃，在其它溫度下制備的樣品也用相同方式表示.對(duì)比9（A）和（C）及圖9（B）和（D），經(jīng)過Ag NPs修飾的Au納米結(jié)構(gòu)的SERS性能比未修飾前有較大提升.如圖9（C）所示，Ag/Au NWs的信號(hào)增強(qiáng)性能比Ag/Au NPs更加優(yōu)秀，這是由于相比于Ag/Au NWs，Ag/Au NPs的分布更加稀疏，相對(duì)比表面積更小，無法提供較多的拉曼“熱點(diǎn)”及更大的有效吸附面積；在納米線結(jié)構(gòu)的性能比較中，由于Ag/Au NWs/25℃的納米結(jié)構(gòu)分布稀疏，不利于拉曼“熱點(diǎn)”的形成，導(dǎo)致SERS活性較低；Ag/Au NWs/65℃緊密堆積的納米線結(jié)構(gòu)會(huì)造成電磁場(chǎng)耦合作用減弱，導(dǎo)致基底的SERS活性下降，過于密集密且倒塌的納米線陣列結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致拉曼探針分子的有效吸附面積不足.相比之下，Ag/Au NWs/45℃擁有最佳的SERS性能，其規(guī)則排列的結(jié)構(gòu)具有較大比表面積可供待測(cè)分子吸附，納米線之間的適當(dāng)間距也可提供更多的拉曼“熱點(diǎn)”，為SERS基底提供了更高的靈敏度.因此，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中采用Ag/Au NWs/45℃作為SERS基底材料.

Fig.9 SERS spectra of 1×10-4 mol/L R6G on Au NPs and Au NWs array grown at different temperatures(A),comparison of average Raman intensity of the peak at 610.3 cm?1 on Au NPs and Au NWs array(B),SERS spectra of 1×10-4 mol/L R6G on Ag/Au NPs and Ag/Au NWs array prepared with Au NWs array grown at different temperatures(C)and comparison of average Raman intensity of the peak at 610.3 cm?1 on Ag/Au NPs and Ag/Au NWs array(D)

為了定量表征這種SERS基底的信號(hào)增強(qiáng)能力，可根據(jù)下述公式計(jì)算EF值［39］：

式中：ISERS和IBULK分別代表SERS基底上R6G分子在610.3 cm?1處的SERS峰強(qiáng)度和R6G晶體在610.3 cm?1拉曼峰強(qiáng)度；NBULK和NSERS分別是激光光斑內(nèi)晶體中和SERS基底上R6G的分子數(shù)量.NBULK通過結(jié)合入射到晶體上的激光光斑的聚焦體積和R6G晶體的密度來計(jì)算，NSERS通過假設(shè)一定量溶液中的分子均勻分布在基底上，然后計(jì)算激光光斑面積下的分子獲得，NBULK/NSERS可通過下面公式計(jì)算：

式中：激光光斑直徑W0=1.22λ/NA，聚焦深度Z0=（2π/λ）W02，聚焦體積τ=（π/2）1.5W02Z0，基底面積A=1 cm2，R6G密度ρ=1.28 g/cm3，溶液體積V=10μL，溶液濃度c=1×10?4mol/L，經(jīng)過換算可得到下式：

通過式（4）計(jì)算得到NBULK/NSERS=1.59×104.經(jīng)過測(cè)試，ISERS和IBULK分別為4415.26和86.22.最終計(jì)算得到的EF值為8.1×105.由上述步驟計(jì)算所得Ag/Au NPs，Ag/Au NWs/25℃和Ag/Au NWs/65℃的EF值分別為9.6×104，2.7×105和5.6×105.由此得知，Ag/Au NWs/45℃擁有最好的SERS活性.

2.3 Ag/Au NWs陣列的信號(hào)均勻性和時(shí)間穩(wěn)定性

為了探索Ag/Au NWs/45℃陣列的信號(hào)均勻性，從Ag/Au NWs/45℃陣列上隨機(jī)選擇15個(gè)點(diǎn)收集了1×10?4mol/L R6G的SERS光譜，結(jié)果如圖10（A）所示.這15個(gè)SERS信號(hào)的強(qiáng)度表現(xiàn)出良好的重現(xiàn)性，610.3 cm?1峰強(qiáng)度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為9.24%，說明Ag/Au NWs陣列的信號(hào)均均勻性良好.除了信號(hào)均勻性之外，SERS傳感器的時(shí)間穩(wěn)定性對(duì)其能否投入實(shí)際應(yīng)用也很重要.將SERS基底儲(chǔ)存在4℃的乙醇中，每隔3 d對(duì)1×10?4mol/L R6G進(jìn)行檢測(cè)，在SERS基底上選取5個(gè)隨機(jī)點(diǎn)收集SERS信號(hào).由圖10（B）可看出，1×10?4mol/L R6G的610.3 cm?1峰的SERS信號(hào)在18 d后仍保持在初始強(qiáng)度的80%，證實(shí)了Ag/Au NWs/45℃具有優(yōu)異的穩(wěn)定性.

Fig.10 SERS spectra of 1×10-4 mol/L R6G from 15 random points(A)and Raman intensity change of R6G(1×10-4 mol/L)at 610.3 cm-1 on Ag/Au NWs array in 18 d(B)

2.4 對(duì)水溶液中MG的SERS檢測(cè)

為了考察Ag/Au NWs/45℃用于檢測(cè)水溶液中MG的可行性，使用新制的SERS基底對(duì)不同濃度的MG溶液（1×10?8~1×10?4mol/L）進(jìn)行了測(cè)試，得到的SERS光譜如圖11（A）所示.在MG的SERS光譜中，各主要峰位歸屬如下：436 cm?1處的峰由平面外苯基-C-苯基振動(dòng)引起；526和916 cm?1處的峰歸因于芳環(huán)的振動(dòng)；794 cm?1處的峰歸因于平面外環(huán)上C—H振動(dòng)；1174 cm?1處的峰由面內(nèi)環(huán)上C—H彎曲振動(dòng)引起；1367和1616 cm?1處的峰則分別對(duì)應(yīng)N—苯基伸縮振動(dòng)和環(huán)上C—C伸縮振動(dòng).為了識(shí)別SERS光譜上1×10?8mol/L的特征峰，將圖中信號(hào)放大了5倍，可見，在信噪比為3的情況下，對(duì)MG的檢出限可低至1×10?8mol/L.SERS信號(hào)的強(qiáng)度隨著MG濃度的增加而逐漸增大，為了探究SERS峰強(qiáng)度與濃度之間的關(guān)系，在圖11（B）中建立了1174 cm?1處SERS峰強(qiáng)度與濃度對(duì)數(shù)的線性校準(zhǔn)曲線，可見1×10?8~1×10?4mol/L的濃度對(duì)數(shù)與SERS信號(hào)強(qiáng)度呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)性，且具有較高的線性相關(guān)度（R2=0.989），線性回歸方程為I1174cm?1=31402.3+3900.9lgc.

Fig.11 SERS spectra of MG solution with different concentrations of 10-8—10-4 mol/L detected on Ag/Au NWs array(A)and linear correlation of Raman intensity at 1174 cm?1 vs.the logarithm of MG con?centration(B)

為探索Ag/Au NWs/45℃在實(shí)際樣品測(cè)試中的性能，以當(dāng)?shù)睾疄槿軇┲苽銶G溶液并進(jìn)行檢測(cè)，由每個(gè)SERS基底上選取25個(gè)隨機(jī)點(diǎn)的1174 cm?1峰強(qiáng)度計(jì)算RSD值，結(jié)果見表1.檢測(cè)湖水中的MG得到的回收率分別為114%和97.7%，信號(hào)的RSD<10%.所得結(jié)果表明，Ag/Au NWs/45℃在環(huán)境安全檢測(cè)方面具有巨大應(yīng)用潛力.

Table 1 Results for detection of MG in real samples(n=3)

NaBH4是一種有效且低成本的清潔劑，可以有效去除貴金屬納米材料上的吸附分子［40］，從而回收SERS基底.因此，實(shí)驗(yàn)中研究了這種SERS基材的可回收性.如圖12所示，首先使用新制的Ag/Au NWs/45℃基底用于檢測(cè)1×10?4mol/L MG，然后用NaBH4溶液處理該使用過的SERS基底，并再次將其用于檢測(cè)1×10?4mol/L MG.可見，經(jīng)NaBH4處理后僅保留有基礎(chǔ)噪音，表明Ag/Au NWs/45℃陣列上MG分子被洗去.在光譜圖中可以發(fā)現(xiàn)，第一次和第二次對(duì)1×10?4mol/L MG進(jìn)行SERS測(cè)試得到信號(hào)的強(qiáng)度并未發(fā)生變化，且在Ag/Au NWs陣列收集的MG的SERS信號(hào)強(qiáng)度幾乎相同，表明Ag/Au NWs/45℃具有較好的可回收重復(fù)使用性.

Fig.12 SERS spectra of 1×10-4 mol/L MG on new?ly prepared Ag/Au NWs array(a),used Ag/Au NWs array treated with NaBH 4(b)and second test for 1×10-4 mol/L MG on Ag/Au NWs array treated with NaBH 4(c)

3 結(jié) 論

發(fā)展了一種在玻璃片表面制備具有規(guī)則陣列結(jié)構(gòu)的Ag/Au NWs的簡(jiǎn)便方法，并將其用于對(duì)水中MG的高靈敏度SERS檢測(cè).通過種子介導(dǎo)的軟模板法在玻璃基底上制備了垂直生長(zhǎng)的Au NWs陣列，在Au NWs陣列上化學(xué)沉積Ag NPs制備Ag/Au NWs陣列作為SERS基底.通過調(diào)節(jié)生長(zhǎng)溫度可改變Au NWs陣列的形貌，以調(diào)控Ag/Au NWs陣列的形貌，進(jìn)而調(diào)控基底的SERS性能；發(fā)現(xiàn)在以45℃下生長(zhǎng)的Au NWs陣列為支撐基底制備的Ag/Au NWs/45℃具有最優(yōu)的SERS性能，該SERS基底具有高EF值（8.1×105）的同時(shí)也表現(xiàn)出優(yōu)異的信號(hào)均勻性和時(shí)間穩(wěn)定性，對(duì)MG具有優(yōu)異的檢測(cè)性能，檢出限低至1×10?8mol/L，檢測(cè)的線性范圍為1×10?8~1×10?4mol/L.Ag/Au NWs/45℃經(jīng)過NaBH4處理后表現(xiàn)出良好的可重復(fù)利用性.在實(shí)際應(yīng)用中，用Ag/Au NWs/45℃檢測(cè)環(huán)境水質(zhì)中的MG分子，獲得了良好的回收率.基于上述優(yōu)點(diǎn)，Ag/Au NWs有序陣列基底在SERS傳感領(lǐng)域?qū)碛袕V闊的應(yīng)用前景.